紅外透波材料的研究發(fā)展.doc

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1、紅外透波材料的研究發(fā)展摘要:紅外透波材料是指對(duì)紅外線透過率高的材料,是紅外技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)之一。本文介紹了幾類常用紅外透過材料的基本性質(zhì),簡(jiǎn)述了其制備技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀,并討論了各自存在問題,并對(duì)紅外透波材料未來發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:紅外透波材料;玻璃;晶體;陶瓷;制備技術(shù)1引言目前,紅外技術(shù)與激光技術(shù)并駕齊驅(qū),在軍事上占有舉足輕重的地位。紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外制導(dǎo)、紅外預(yù)警、紅外對(duì)抗等在現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭(zhēng)中都是很重要的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略手段。在二十世紀(jì)70年代以后,軍事紅外技術(shù)又逐步向民用部門轉(zhuǎn)化。標(biāo)志紅外技術(shù)最新

2、成就的紅外熱成像技術(shù),與雷達(dá)、電視一起構(gòu)成當(dāng)代三大傳感系統(tǒng),尤其是焦平面列陣技術(shù)的采用,將使發(fā)展成可與眼睛相媲美的凝視系統(tǒng)。而紅外透波材料是紅外熱成像系統(tǒng)的光學(xué)元件的重要材料。紅外透波材料不但要求具有高性能、小體積,還要造價(jià)低。高性能主要包括:結(jié)構(gòu)完整、組分均勻以免發(fā)生散射,在測(cè)量波段內(nèi)具有高紅外透射率;熱穩(wěn)定性好,透射比和折射率不應(yīng)隨溫度變化而變化;載流子壽命長(zhǎng),不宜潮解,耐酸堿腐蝕性好;力學(xué)性能優(yōu)良,可以承受高運(yùn)動(dòng)的速壓載荷等。2紅外透波材料的特征值2.1透過率一般透過率要求在50%以上,同時(shí)要求透過率的頻率

3、范圍要寬。紅外透波材料的透射短波限,對(duì)于純晶體,決定于其電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的吸收,即其禁帶寬度。透射長(zhǎng)波限決定于聲子吸收,和晶格結(jié)構(gòu)及平均原子量有關(guān)。2.2折射率和色散不同材料用途不同,對(duì)折射率的要求也不相同。對(duì)于窗口和整流罩的材料要求折射率低,以減少反射損失。對(duì)于透鏡、棱鏡、紅外光學(xué)系統(tǒng)要求盡量高的折射率。2.3發(fā)射率對(duì)紅外透波材料的發(fā)射率要求盡量低,以免增加紅外系統(tǒng)的目標(biāo)特征,特別是軍用系統(tǒng)易暴露。2.4其他和選擇其他光學(xué)材料一樣,都要注意其力學(xué)、化學(xué)、物理性質(zhì),要求溫度穩(wěn)定性好,對(duì)水、氣穩(wěn)定,力學(xué)性質(zhì)主要

4、有彈性模量、扭轉(zhuǎn)剛度、泊松比、拉伸強(qiáng)度和硬度。物理性質(zhì)包括熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)及可成型性。此外要強(qiáng)調(diào)的物性是材料的熱導(dǎo)率要高,特別是用于高速飛行器的時(shí)候。3紅外透波材料的種類3.1玻璃玻璃的光學(xué)均勻性好,易于加工成型,價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是透過波長(zhǎng)較短,使用溫度低于500℃。目前研究的紅外透波玻璃材料主要有:氧化物紅外玻璃、硫系玻璃和氟化物玻璃。3.1.1氧化物玻璃普通的氧化物玻璃包括鋁酸鹽玻璃、銻酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、亞碲酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃和鍺酸鹽玻璃等。由于高溫穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如其他晶體材料好,而且氧化物玻璃存在金屬

5、氧化物鍵的振動(dòng)導(dǎo)致在3-6μm波段吸收中斷,不能透過波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外輻射,因而應(yīng)用受到限制。3.1.2硫系玻璃硫系玻璃在國(guó)際上屬于另一種新型紅外光學(xué)玻璃透波材料,這種材料是以S、Se、Te為主要元素同時(shí)加入一定量的Ge、As、Sb、Ca等元素高溫熔化,快速冷卻形成的非晶態(tài)物質(zhì)。這種材料主要有幾大優(yōu)勢(shì):(1)具有較弱的鍵強(qiáng),特殊的電子組態(tài),良好的近紅外至中紅外(2-15μm)透過性能和化學(xué)穩(wěn)定性,可以有力抵擋水和空氣腐蝕;(2)對(duì)高純度昂貴Ge原料用量少;(3)玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg大于300℃,易于在低溫下成型。其不足之

6、處在于:影響透過的氧和氫雜質(zhì)官能團(tuán)去除困難,并且容易析出亞微米晶粒。此外,陳國(guó)榮等人在硫系玻璃中加入氮化物和鹵化物形成硫氮玻璃和硫鹵玻璃,實(shí)驗(yàn)表明這些玻璃的轉(zhuǎn)變溫度、顯微硬度、斷裂韌性、斷裂能有所提高,熱膨脹系數(shù)有所降低。3.2晶體紅外透波晶體材料包括:金剛石、Ge、Si、ZnSe、ZnS、GaAs、GaP、藍(lán)寶石、MgF2、尖晶石等單晶或多晶體。人們很早就利用晶體作為紅外區(qū)域的材料。與玻璃相比,其透過長(zhǎng)波限較長(zhǎng),最大可達(dá)60μm,折射率和色散范圍也比較大,而且許多晶體熔點(diǎn)高,硬度高,熱穩(wěn)定性好,具有獨(dú)特的雙折射

7、性能。缺點(diǎn)是制備晶體生長(zhǎng)緩慢,且不易長(zhǎng)成大尺寸,價(jià)格也高,因此應(yīng)用受到限制。3.2.1半導(dǎo)體晶體鍺、硅單晶體是兩種常用的紅外光學(xué)材料,硅在力學(xué)性能和抗沖擊性上比鍺好很多,受溫度影響也比較小,但硅的折射率高,使用時(shí)需鍍?cè)鐾改?,以減少反射損失。相對(duì)而言,發(fā)展多晶硅更有優(yōu)勢(shì),因?yàn)槎嗑Ч栌幸韵滤膫€(gè)優(yōu)點(diǎn):一是可作適當(dāng)?shù)男螤?;二是可做成大尺寸;三是成本低;四是具有各向異性。但是多晶體物理性能不夠穩(wěn)定,機(jī)械強(qiáng)度和抗震能力也較差。3.2.2離子晶體離子晶體即堿鹵化合物和堿土化合物。堿鹵化合物有LiF、NaF、NaCl、KCl、K

8、Br、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI、MgF2等。一般來說,這類材料的熔點(diǎn)不高,比較容易生長(zhǎng)較大的單晶,其退火工藝也不十分復(fù)雜,同時(shí)也比較容易實(shí)現(xiàn)光學(xué)均勻性。其中MgF2在用于紅外窗口或整流罩時(shí)往往采用熱壓多晶體,具有高于90%的紅外透過率,是較為滿意的紅外材料。硫化物單晶體ZnS、ZnSe都是很好的紅外透過材料(ZnSe的紅外透射率如圖1[5]和圖2

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